Двенадцать модельных организмов

Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!

---

Партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Находка Иоганна Таля — Первый описанный мутант арабидопсиса — Преимущества арабидопсиса как модельного объекта — Арабидопсис помогает выявить роль ауксина в морфогенезе — Арабидопсис и другие растительные модельные объекты

История арабидопсиса начинается в далеком 1577 году, когда увлечение врача Иоганна Таля ботаникой привело к созданию книги о флоре гор Гарц (Центральная Германия), в которой среди прочих объектов он описал маленькое незаметное растение Pilosella siliquosa [1]. Спустя почти два столетия Карл Линней, упорядочивая систему растительного мира, нашел, что по своим признакам наш герой ближе всего к резухе (Arabis) и отнес его к этому роду, присвоив ему видовой эпитет thaliana — дань памяти о Тале. Шло время, систематика совершенствовалась, и вот в 1842 году немецкий ботаник Густав Хейнхольд перевел наше скромное растение в род Arabidopsis (то есть «подобный резухе», ну или, как сейчас его часто называют, резуховидка), и оно получило видовое название, столь знакомое в настоящее время миллионам людей по всему миру — Arabidopsis thaliana, — а также стало типовым видом рода Arabidopsis.

Сейчас, когда говорят об арабидопсисе, мы в первую очередь вспоминаем многочисленные мутантные формы этого растения, особенно с морфогенетическими дефектами, однако мало кто знает, что первого мутанта арабидопсиса, упоминающегося в научной литературе, нашел под Берлином еще в 1873 году ботаник Александр Браун. Вероятнее всего, мутация была в гене agamous — одном из генов, определяющих разметку цветка. И все же мы не можем не задаться вопросом, неужели эта случайность привела к тому, что арабидопсис к началу XXI века стал самым изученным растением на Земле?

Конечно, гораздо логичнее, на первый взгляд, было бы выбрать в качестве «эталона» для исследований по генетике, физиологии, биологии развития растений какое-нибудь ценное с хозяйственной точки зрения растение вроде пшеницы, чем малоизвестный сорняк арабидопсис. Однако оказывается, у этого небольшого скромного растения есть немало преимуществ по сравнению с давними спутниками человека — «одомашненными» растениями. Многие растения имеют не две, а гораздо больше копий генома в своих клетках (такое явление называется полиплоидией [2]). Длительная селекция культурных растений на протяжении тысячелетий дополнительно способствовала появлению полиплоидов, поскольку увеличение числа копий генов в целом способствует наращиванию биомассы и повышению продуктивности растений. Однако полиплоидия играет злую шутку с теми, кто пытается исследовать функции конкретных генов при помощи мутагенеза, то есть вносить дефекты в определенные гены и наблюдать за тем, как будет выглядеть и развиваться растение с нарушенной функцией конкретного гена. Проблема в том, что даже при поломке двух копий гена (которые в норме есть у диплоидных организмов) в клетке будут работать оставшиеся копии, и эффекта от поломки видно не будет.

Арабидопсис же, помимо своей диплоидности, еще и обладает одним из самых маленьких ядерных геномов среди растений, который упакован всего в пять пар хромосом. Кстати, такой крохотный набор хромосом обратил на себя внимание исследователей еще в первой половине XX века. Первым, кто определил количество хромосом у арабидопсиса, стал Фридрих Лайбах, еще в 1907 году, а «растительной дрозофилой» его впервые назвала некая Н.Н. Титова (это случилось в 1935 году после экспедиции Бориса Козо-Полянского на озеро Эльтон). Правда, в дальнейшем арабидопсисом как модельным объектом продолжили заниматься в лаборатории Лайбаха, и в годы войны, а также сразу после нее (в 1945–1947 годах), появились первые мутанты арабидопсиса и была заложена коллекция, а также разработаны подходы к их получению (химический, радиационный мутагенезы) [3].

Позднее выявилось еще одно важное преимущество арабидопсиса — его можно легко трансформировать, то есть встроить в его геном чужую ДНК (исходно бактериальную), содержащую необходимую генетическую конструкцию. Например, эта ДНК может содержать последовательность, кодирующую зеленый флуоресцирующий белок GFP [4], при помощи которого можно наблюдать за распределением или перемещением интересующего нас белка (рис. 1). А еще от момента прорастания семени до момента получения новых семян проходит в среднем всего шесть недель, при этом каждое растение дает десятки тысяч семян.

«Биомолекула» много писала про трансгенные растения, способы их получения и значение для человечества: «Растения-биофабрики» [5], «Готовим ГМ-рис вместе» [6], «Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?» [7]. Предлагаем вам ознакомиться с решениями для изучения растительных клеток и манипуляций с ними (включая введение туда чужеродной ДНК), которые предлагает партнер нашего спецпроекта компания «Диаэм» (см. врезку ниже).

Арабидопсис легко выращивать в лаборатории, в том числе, в стерильных условиях in vitro, на чашках Петри (рис. 2). Для получения семян достаточно одного растения, поскольку арабидопсис легко самоопыляется. Также это маленькое растение легко исследовать на конфокальном микроскопе [8], при этом можно непосредственно наблюдать за тем или иным процессом, поскольку слоев клеток у него относительно немного. Биохимические и сигнальные пути, открытые у арабидопсиса, довольно часто (но не всегда!) оказываются идентичными таковым у других растений. А поэтому, исследовав процесс на удобном модельном объекте, уже легче разобраться с тем, как это работает у важных с хозяйственной точки зрения растений.

Итак, множество исследователей бросают свои силы на арабидопсис, и картина процессов, происходящих в этом растении, становится всё более полной — кусочки мозаики заполняют пробелы в наших знаниях. Но, безусловно, это не было бы возможно без амбициозного проекта секвенирования генома арабидопсиса, который проходил параллельно с проектом чтения человеческого генома [10]. Дело было окончено в 2000 году, и к 2010 году была поставлена не менее амбициозная цель — выяснить функции каждого гена арабидопсиса. Проект принес нам появление карт, показывающих, насколько активен тот или иной ген в различных тканях, органах и на разных стадиях развития. Сегодня наиболее полная информация об арабидопсисе сведена в огромную базу данных — The Arabidopsis Information Resource (TAIR). Также ресурсный центр занимается культивированием и распространением семян разнообразных мутантных линий арабидопсиса.

Благодаря календарю модельных организмов «Биомолекулы» (см. рис. 5) читатель уже познакомился с некоторыми увлекательными сюжетами, которые удалось раскрыть при помощи нашего героя — это и модель разметки цветка, и передача сигнала гормона растений цитокинина. На сегодняшний день не найдется процесса, который не был бы хоть сколько-то изучен при помощи мутантов и генноинженерных конструкций арабидопсиса, поэтому я как автор оказываюсь в затруднительном положении: какому сюжету отдать предпочтение? Лично меня в последние годы чрезвычайно увлекает исследование роли фитогормона ауксина как морфогена [11], то есть разметчика будущих органов, их частей или тканей. Судите сами, какая захватывающая картина открылась перед исследователями!

Ауксин известен как фитогормон еще со времен Дарвина. Хорошо известно, что он вызывает рост растяжением, важен для контроля деления клеток (как напарник других гормонов), необходим для реакций тропизмов (роста в сторону определенного сигнала или от него). Для транспорта этого гормона необходимы специфические белковые транспортеры, среди которых наиболее известны белки PIN [11]. Без участия этих и еще нескольких белков ауксин не может выйти из клетки и попасть в другие. Это и предопределило его исключительную роль в морфогенезе. Потоки ауксина «рисуют» будущую проводящую систему листа (рис. 4): там, где формируется мощный поток этого гормона, закладывается прокамбий — ткань, дающая начало разным типам клеток проводящей системы [12].

Положение будущих листьев на поверхности побеговой меристемы (то есть верхушечной точки роста, которая дает прирост побега и закладку боковых побегов и листьев) тоже, оказывается, определяется «пятнами» максимальной концентрации ауксина [13]. На самых ранних стадиях развития зародыша растения тоже необходим ауксиновый «рисунок» — он размечает и положение корневой меристемы (той зоны, которая будет давать начало новым клеткам корня), и проводящей системы, и места закладки семядольных листьев [14].

У читателя не может не возникнуть вопрос — «А как же это всё выяснили?» Как можно увидеть потоки ауксина, если в норме они незаметны глазу? И здесь пришел на помощь наш преданный науке модельный организм — арабидопсис. Именно для него получили (и получают по сей день) конструкции разнообразных генов, к которым прикреплена последовательность зеленого флуоресцентного белка из медузы (Green Fluorescent Protein, GFP) . Когда растение получает такую вставку в геном, белок, который закодирован в меченом гене (а это тот белок, расположение которого мы хотим увидеть), теперь имеет светящуюся часть, которую можно наблюдать под конфокальным микроскопом, возбуждая его флуоресценцию.

Зеленый флуоресцентный белок (и белки других цветов) сыграли и продолжают играть огромную роль в современной молекулярной биологии, выполняя функцию «репортеров с места действия» (см. нашу статью «Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи» [15]). За открытие и применения GFP в 2008 году вручили Нобелевскую премию по химии [4].

Для ауксина такими важными белками оказались разнообразные PIN — наблюдая за их расположением, исследователям удалось [11] нарисовать реальные потоки ауксина в растительном организме! Еще бóльшую пользу принесли специальные светящиеся конструкции DR5-GFP и другие, которые показывают, насколько активны в тканях, которые мы наблюдаем под микроскопом, гены ответа на ауксин. Плюс к этому, для арабидопсиса получена (и сейчас продолжает пополняться) обширная коллекция мутантов по биосинтезу, транспорту и передаче сигнала ауксина. Всё вместе это образует мощный инструмент для изучения процессов, в которых задействован ауксин, а также другие гормоны, сигнальные пептиды, различные стрессовые сигналы... И этот список можно продолжать очень долго!

«А как же другие растения?» — спросит читатель. Все эти данные требуют проверки на других объектах. Действительно, сейчас секвенированы геномы огромного количества растений, интересных человечеству как с практической, так и с научной точек зрения. Получен геном риса, имеется обширная коллекция его мутантов, подобраны модельные объекты для исследований споровых растений: среди мхов это Physcomitrella patens, среди плаунов — род Selaginella. Найден модельный объект для злаков — род Brachipodium. Более того, есть некоторые особенности, характерные именно для арабидопсиса, которые нельзя экстраполировать на другие растения. Так, известно, что крестоцветные, к которым относится и арабидопсис, синтезируют специфические вторичные метаболиты — глюкозинолаты (о которых мы рассказывали в календаре — обратите внимание на рисунок 5). Интересно другое: оказывается, одна из минорных ветвей синтеза ауксинов может переключаться на синтез этих вторичных метаболитов, следовательно, уровень синтеза ауксина может повышаться при снижении синтеза вторичных метаболитов (у мутантов по синтезу глюкозинолатов повышено содержание ауксинов).

Несмотря на подобные ограничения, старый добрый арабидопсис — одно из первых растений, о которых думают исследователи, желающие выявить молекулярную «подноготную» какого-либо процесса, протекающего в растениях и, возможно, обнаруженного на другом объекте.

Литература

1. Elliot M. Meyerowitz. (2001). Prehistory and History of Arabidopsis Research. Plant Physiol.. 125, 15-19;
2. Аллополиплоидия, или Как разные геномы научились жить под одной крышей;
3. Maarten Koornneef, David Meinke. (2010). The development of Arabidopsis as a model plant. The Plant Journal. 61, 909-921;
4. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
5. Растения-биофабрики;
6. Готовим ГМ-рис вместе;
7. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
8. 12 методов в картинках: микроскопия;
9. «За экстракорпоральное оплодотворение» — это не тост, а Нобелевская премия!;
10. Геном человека: как это было и как это будет;
11. Ауксин — великий мотиватор;
12. Tyler J. Donner, Ira Sherr, Enrico Scarpella. (2010). Auxin signal transduction in Arabidopsis vein formation. Plant Signaling & Behavior. 5, 70-72;
13. Y. Deb, D. Marti, M. Frenz, C. Kuhlemeier, D. Reinhardt. (2015). Phyllotaxis involves auxin drainage through leaf primordia. Development. 142, 1992-2001;
14. B. Moller, D. Weijers. (2009). Auxin Control of Embryo Patterning. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 1, a001545-a001545;
15. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
16. E. Scarpella. (2006). Control of leaf vascular patterning by polar auxin transport. Genes & Development. 20, 1015-1027.